CN101619705B - 带仿生型叶顶凸台的水平轴风力机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带仿生型叶顶凸台的水平轴风力机，包括叶片(2)、主传动轴(3)、机舱(4)、尾翼(5)、塔架(6)，叶片(2)装在主传动轴(3)上，在所述的叶片(2)的叶顶处装有凸台(1)，且该凸台(1)的侧面型线与叶片(2)的同向侧面型线一致。所述凸台(1)的表面采用鱼鳞型仿生结构。本发明通过在叶片的叶顶处增加仿生型凸台不但消弱了叶尖涡，而且可以改善叶顶处的流动损失，减少叶顶损失、减小诱导阻力、减小叶尖涡，以及降低风力机叶片与叶尖涡相互干涉的噪声，具有更高的气体动力学性能，并且能降低风力机的气动噪声，节约能源，提高效率。

Description

带仿生型叶顶凸台的水平轴风力机
技术领域
本发明涉及一种水平轴风力机，属于风力发电设备技术领域。
背景技术
当前，能源问题和环境问题日益受到人们的关注，煤、石油、天然气等化石能源逐渐枯竭，新型可再生能源的应用和发展日益受到重视。风能是一种干净的可再生能源。在当前人类对能源与环境问题日益关注的情况下，利用风能发电日益受到重视。世界风力发电总量逐年快速增长。我国的风能资源比较丰富，据统计，我国风能储量中的实际可开发总量为2.53亿千瓦，相当于我国发电总装机容量的1.3倍。对于水平轴风力机而言，其叶片叶尖处的流动受叶尖涡和叶轮后尾迹流动的影响，存在较大的风能损失。然而水平轴风力机的叶尖部分升力产生的扭矩较大，其气动性能对于风力机的整体性能具有至关重要的影响。曾有专利通过在叶顶处增加小翼来改善风力机叶尖处的流动，但效果不很明显，且风力机叶片与叶尖涡相互作用的噪声仍较大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种带仿生型叶顶凸台的水平轴风力机，其能有效改善风力机的气动性能，节约能源，提高效率，同时降低风力机的噪声。
为实现这样的目的，本发明的技术方案是：一种带仿生型叶顶凸台的水平轴风力机，包括叶片、主传动轴、机舱、尾翼、塔架，叶片装在主传动轴上，在所述的叶片的叶顶处装有凸台，且该凸台的侧面型线与叶片的同向侧面型线一致，所述的凸台的顶部、底部以及侧面采用鱼鳞型仿生结构，该鱼鳞形式采用扇形结构，鱼鳞结构的半径R为风力机叶片顶部叶片最大厚度的1/3，鱼鳞结构的仰角α为3～5°，其尾部的仰角β为70～80°，其厚度h为1～2mm，其尾部的张角θ在120～150°之间。
水平轴风力机在运转时，来流经过风轮(包括叶片、主传动轴等)，在叶片尖部由于压力差会产生由压力面向升力面流动的叶尖涡。在本发明中，由于叶顶处安装有凸台，首先起到档板作用，耗散了叶尖涡，改变了叶尖的环量分布。同时，凸台的表面采用鱼鳞型仿生结构，减小了叶顶处的流动阻力，避免了叶尖的过早的附面层分离，从而提高了叶尖处的气动效率。
本发明结构简单，设计合理，在保留原有风力机叶片结构的前提下，通过在叶顶处安装仿生型凸台，改善了不利于风力机运行的叶尖流场。本发明的水平轴风力机比一般形式的水平轴风力机在效率上有一定的提高，并且能够降低风力机的噪声。与现有的水平轴风力机相比具有更高的气体动力学性能，并且能降低风力机的气动噪声，节约能源，提高效率。本发明通过在叶顶处增加仿生型凸台不但消弱了叶尖涡，而且可以改善叶顶处的流动损失，减少叶顶损失、减小诱导阻力、减小叶尖涡，以及降低风力机叶片与叶尖涡相互干涉的噪声。
附图说明
图1为本发明带仿生型叶顶凸台的水平轴风力机的结构示意图。
图2为本发明的凸台顶部的结构示意图(采用鱼鳞型仿生结构)。
图3为本发明的凸台侧面的结构示意图(采用鱼鳞型仿生结构)。
图4为本发明的叶片的叶顶处的侧向结构示意图。
图5为本发明的凸台表面的鱼鳞结构示意图(三维视图)。
图6为本发明的凸台表面的鱼鳞的正视图。
图7为图6的侧视图。
图8为图6的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明带仿生型叶顶凸台的水平轴风力机的整体结构以及叶片的叶顶处如图1、图4所示，包括叶片2(具有压力面7、吸力面8)、主传动轴3(带有整流罩)、机舱4、尾翼5、塔架6，叶片2装在主传动轴3上，在所述的叶片2的叶顶处装有凸台1(能改善风力机运行性能)，且该凸台1的侧面型线与叶片2的同向侧面型线一致。即：该凸台1可装在叶片2的吸力面8的叶顶处，该凸台1的侧面10型线与叶片2的吸力面8型线一致，此安装方式效果最佳(与以下两种安装方式相比而言)；或者该凸台1也可装在叶片2的压力面7的叶顶处，该凸台1的侧面型线与叶片2的压力面7型线一致；或者也可在所述的叶片2的压力面7和吸力面8的叶顶处均装有凸台1，所述的凸台1的侧面型线与其对应的叶片2的压力面7或者吸力面8型线一致。
其中：由三片升力型叶片2、带整流罩的主传动轴3组成风轮，用于捕获风能并将其转化为机械能输出；机舱4位于塔架6的顶端，用来支撑风轮及具有与风轮相联接的齿轮传动装置、发电机、调速装置及其调向机构，机舱内除了上述部件及装置外，还有配套的电气控制设备、液压泵等；尾翼5安装在机舱4的尾部，用来调整风力机运转的方向；塔架6用来支撑风轮、机舱内各种设备等，并使之离开地面一定高度，使风力机整体能处于良好的风况环境下运转。
本发明在每个叶片的叶顶部分均安装一个能改善风力机运行性能的凸台，凸台侧面采用与该叶片同向的型线结构一致，凸台和叶片的材料相同，安装于叶片顶端。所述凸台1的表面采用鱼鳞型仿生结构(也就是说在凸台1的表面密布鱼鳞状纹路)：即所述凸台1的上表面9、侧面10或底面11采用鱼鳞型仿生结构，或者是所述凸台1的上表面9、侧面10和底面11均采用鱼鳞型仿生结构，如图2、图3、图4所示，以减小叶顶处的流动阻力及叶尖涡。凸台1与叶片2叶顶处的连接：可以是与叶片融合为一体(即所述的凸台1与叶片2为整体式结构)，或者也可以是外加连接。该凸台的设置起到了档板的作用，改变了风力机叶尖的环量分布，破坏和削弱了叶尖处对于风力机运行不利的叶尖涡，减小了诱导阻力，叶尖涡的减小也有利于降低其与叶片相互干涉的噪声。凸台的顶部、底部以及侧面采用鱼鳞型仿生结构，有利于减小流动阻力，减小叶顶处的流动损失，提高叶顶处的风能利用效率。
凸台的具体情况为以下：
凸台的位置：在风力机叶片顶端，凸台侧面的型线与风力机叶片压力面或吸力面的型线一致、重合。凸台位于风力机叶片的95％～100％的叶高处。
凸台的厚度D：定义为凸台侧面之间的垂直距离，厚度方向垂直于风力机叶片的中线。厚度大约等于叶顶处叶片最大厚度，如图2所示。
凸台的高度H：定义为凸台上表面与底面之间的垂直距离，大约占风力机叶片的95％～100％叶高，如图3所示。
凸台顶部(即上表面)、底部(即底面)、侧面上的鱼鳞结构如图5至图8所示，该鱼鳞形式采用扇形结构，鱼鳞结构的半径R为风力机叶片顶部叶片最大厚度的1/3，鱼鳞结构的仰角α为3～5°，其尾部的仰角β为70～80°，其厚度h大约1～2mm，其尾部的张角θ在120～150°之间。此种设计效果最佳。

Claims (4)

1.一种带仿生型叶顶凸台的水平轴风力机，包括叶片(2)、主传动轴(3)、机舱(4)、尾翼(5)、塔架(6)，叶片(2)装在主传动轴(3)上，在所述的叶片(2)的叶顶处装有凸台(1)，且该凸台(1)的侧面型线与叶片(2)的同向侧面型线一致，其特征在于：所述的凸台(1)的顶部、底部以及侧面采用鱼鳞型仿生结构，该鱼鳞形式采用扇形结构，鱼鳞结构的半径R为风力机叶片顶部叶片最大厚度的1/3，鱼鳞结构的仰角α为3～5°，其尾部的仰角β为70～80°，其厚度h为1～2mm，其尾部的张角θ在120～150°之间。
2.如权利要求1的带仿生型叶顶凸台的水平轴风力机，其特征在于：该凸台(1)装在叶片(2)的吸力面(8)的叶顶处，该凸台(1)的侧面(10)型线与叶片(2)的吸力面(8)型线一致；或者该凸台(1)装在叶片(2)的压力面(7)的叶顶处，该凸台(1)的侧面型线与叶片(2)的压力面(7)型线一致。
3.如权利要求1的带仿生型叶顶凸台的水平轴风力机，其特征在于：所述的叶片(2)的压力面(7)和吸力面(8)的叶顶处均装有凸台(1)，所述的凸台(1)的侧面型线与其对应的叶片(2)的压力面(7)或者吸力面(8)型线一致。
4.如权利要求1的带仿生型叶顶凸台的水平轴风力机，其特征在于：所述的凸台(1)与叶片(2)为整体式结构。
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